DE60011917T2

DE60011917T2 - Verbesserte strukturplatte und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60011917T2
Application number: DE60011917T
Authority: DE
Inventors: D'arcy David Clifford
Original assignee: Dofasco Inc
Current assignee: ArcelorMittal Dofasco Inc
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: ES2223564T3; CN1270886C; BR0013233A; CA2381407C; US6171705B1; EP1218177A1; KR20020015726A; MXPA02001500A; PT1218177E; ATE270188T1; US6696164B2; US20040175554A1; AU775915B2; US20020086172A1; DE60011917D1; US6949295B2; EP1218177B1; CN1370113A; WO2001012434A1; CA2381407A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laminat-Bauplatten und insbesondere auf leichtgewichtige Laminate mit wünschenswerten Struktureigenschaften.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Stahlblech wird weitreichend verwendet, um Platten zu formen. Die geforderten Struktureigenschaften wie Steifigkeit sind je nach der spezifischen Anwendung unterschiedlich. Wenn höhere Steifigkeitswerte gefordert sind, wird die Stahlstärke typischerweise erhöht. Eine Erhöhung der Stahlstärke ergibt jedoch eine Platte, die nicht nur schwerer, sondern auch teurer ist.
In der Vergangenheit sind mehrere Versuche unternommen worden, verbesserte Struktureigenschaften von Platten ohne wesentliche Steigerung von Gewicht oder Materialkosten zu schaffen. Zum Beispiel sind bei Anwendungen, wo Schalldämpfung und Schwingungsdämpfer erforderlich sind, Verbundkörper aus Stahlblechen mit einem festen Polymerkern verwendet worden. Die spezifische Steifigkeit von Polymerkernprodukten ist jedoch weniger als wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung richtet sich auf ein Baulaminat, umfassend eine erste und eine zweite Außenhaut aus Blech, die jeweils eine Stärke von wenigstens 0,005 in (0,127 mm) aufweisen, und einen Faserkern, der zwischen den Außenhäuten angeordnet und damit verbunden ist, wobei der Faserkern mit einem thermoplastischen Harz imprägniert ist, derart, daß das thermoplastische Harz 15 bis 45 Gew.-% des Faserkerns ausmacht. Bei einer Erscheinungsform ist das die Faserkernlage imprägnierende Harz ein Klebharz, das die Kernlage direkt mit den Außenhäuten verbindet. Bei einer anderen Erscheinungsform werden Klebstoffschichten zwischen dem Kernmaterial und den Außenhäuten angeordnet, was den Kern mit den Außenhäuten verklebt. Die resultierende Laminatstruktur ist äußerst leicht verglichen mit einem einzelnen Stahlblech von vergleichbarer Stärke und Festigkeit.
Bei einer Erscheinungsform ist der Faserkern Papier und sind die Metallaußenhäute galvanisierter Stahl, um Korrosionsbeständigkeit zu schaffen.
Bei einer noch anderen Erscheinungsform weist der Faserkern eine Vielzahl von Kanälen auf, die sich zwischen den Metallaußenhäuten erstrecken. Diese Querkanäle sind mit Klebstoff gefüllt, um Klebstoffbrücken zu schaffen, welche die Außenhäute weiter mit dem Kern verbinden.
In einer noch anderen Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Formung eines Baulaminats bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Anordnens eines Faserkernmaterials zwischen zwei Metallaußenhäuten und die Anwendung von Druck auf das Trilaminat, um eine Haftung zwischen dem Kern und den Metallaußenhäuten zu fördern. Bei einer Erscheinungsform werden mehrere Trilaminate hergestellt, die anschließend aufeinandergestapelt werden und dann gepreßt werden, um die einzelnen Lagen gleichzeitig zu verkleben.
In einer noch anderen Erscheinungsform stellt die vorliegende Erfindung nicht ebene Laminate und ein Verfahren zur Herstellung nicht ebener Laminate bereit. Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte der Formung eines Laminats durch Anordnen eines Faserkerns zwischen den Metallaußenhäuten, Bereitstellen eines Mittels zur Verbindung des Kerns und Formen des Laminats zu einem nicht ebenen Gebilde unter Verwendung von Umformtechniken. Bei einer Erscheinungsform ist die verwendete Umformtechnik eine Gesenkpresse. Bei einer Erscheinungsform wird entweder vor, nach oder während des Gesenkpreßvorgangs Wärme auf das Laminat angewendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt des Laminats der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Querschnitt eines Laminats der vorliegenden Erfindung, der die Verwendung von Klebstoffkanälen veranschaulicht.
3 ist eine schematische Zeichnung, welche eine Presse zum Verbinden der einzelnen Lagen zum erfindungsgemäßen Laminat darstellt.
4 ist ein Querschnitt des nicht ebenen Laminats der Erfindung.
5 ist eine schematische Zeichnung, welche eine Gesenkpresse darstellt, die das nicht ebene Laminat von 4 formt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Es wird nun auf 1 der Zeichnungen Bezug genommen. Dargestellt ist eine Platte 20 mit Metallaußenhäuten 22 und einem dazwischen liegenden Faserkern 24. Es wird erkennbar, daß die Platte 20 im wesentlichen eine Trilaminatstruktur mit drei verschiedenen Lagen ist, die zur Bildung einer funktionellen Einheit zusammenwirken. Die Eigenschaften dieser funktionellen Einheit sind denen ihrer einzelnen Elemente überlegen, wie hier noch ausführlicher beschrieben werden wird.
Es wird nun erneut auf 1 der Zeichnungen Bezug genommen. Bei einer bevorzugten Konstruktion sind die Außenhäute höchst bevorzugt aus verzinktem Stahl gebildet, wobei jede Lage 22 eine Stärke von etwa 0,005 Inch oder mehr, vorzugsweise zwischen etwa 0,005 Inch und etwa 0,030 Inch und noch bevorzugter von etwa 0,005 Inch bis etwa 0,012 Inch Stärke aufweist. Bei einer Ausführungsform besitzt die dazwischen liegende Faserlage 24 vorzugsweise eine Stärke von etwa 0,1 Inch und mehr und vorzugsweise von etwa 0,01 Inch bis etwa 0,05 Inch. Somit wird die Gesamtstärke der Platte 20 bei einer Ausführungsform typischerweise zwischen etwa 0,020 Inch und etwa 0,110 Inch betragen. Eine Platte mit den Abmessungen, wie sie oben in der Beschreibung von 1 der Zeichnungen angegeben sind, und mit der gerade beschriebenen bevorzugten Lagenstärke wird typischerweise ein Gewicht aufweisen, das etwa 40–70% des Gewichts eines einzelnen Stahlblechs von vergleichbaren Abmessungen und vergleichbarer Steifigkeit entspricht.
Die einzelnen in 1 dargestellten Lagen werden nun genauer beschrieben werden. Wie erwähnt, werden die Metallaußenhäute 22 gewöhnlich flach sein, mit ebenen Oberflächen auf jeder Seite. Metalle, die zur Bildung von Außenhäuten verwendet werden können, werden vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Stahl, Aluminium, Kupferlegierungen und verschiedenen Kombinationen davon ausgewählt. Metalle, die bei geringsten Kosten angemessene Struktur- und (erforderlichenfalls) Korrosionsbeständigkeitseigenschaften in der spezifischen Umgebung, in welcher die Platte 20 verwendet wird, bieten, sind höchst wünschenswert. Am meisten bevorzugt wird verzinktes Stahlblech.
Wie der Fachmann wissen wird, gibt es Stahl in mehreren Güteklassen, basierend auf der Menge an Kohlenstoff und anderen Elementen, die er enthält. Allgemein können diese Güteklassen als kohlenstoffarmer (weicher) Stahl, mittelfester Stahl und Hartstahl beschrieben werden. Für die Verwendung hier bevorzugt werden kohlenstoffarme mikrolegierte hochfeste Stähle (HSLA). Die meistbevorzugten Metallaußenhäute zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind kaltgewalzter Stahl, verzinkter Stahl, verzinnter Stahl und rostfreier Stahl. Es kann wünschenswert sein, einseitig verzinktes Blech zu verwenden, wobei eine verzinkte Oberfläche die Außenfläche der Außenhäute 22 umfaßt und wobei die Innenfläche der Außenhäute zu Haftzwecken nacktes Metall ist. Bei einer Ausführungsform wird eine unterschiedlich dicke Verzinkung bevorzugt, d.h. ein leichter Zinküberzug auf der Innenfläche und ein schwererer Zinküberzug auf der Außenfläche. Bei einer Ausführungsform wird verzinkter Stahl mit Zink auf der Oberfläche bis zur Endstärke kaltgewalzt.
Die Lage 24 ist faseriges Material. Obwohl nicht gewünscht wird, an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß die faserige Beschaffenheit der Lage 24 zu den erwünschten Struktureigenschaften der Platte 20, einschließlich Delaminierungsbeständigkeit, beitragen mag. Wie hier verwendet, soll der Ausdruck "faserig" ohne Einschränkung seiner Reichweite im Kontext der Erfindung eine im allgemeinen homogene Ansammlung von Fasern, entweder natürlich oder synthetisch, bedeuten, die zu einem bahnförmigen Produkt geformt werden kann.
Das bevorzugteste faserige Material zur Verwendung hierin als Lage 24, ein Material, das unter Faserbahnen als einzigartig angesehen wird, ist Papier. Wie der Fachmann wissen wird, ist Papier im wesentlichen eine wirre oder filzige Struktur aus faserigem Material, das über das Medium einer verdünnten Suspension von Pulpe und Wasser zu einer relativ dünnen Bahn geformt wurde. Es besteht im wesentlichen aus Zellulosefasern. Pulpe zur Papiererzeugung kann durch mechanisches Zermahlen von Holz oder anderer pflanzlicher Substanz, durch chemische Verarbeitung (Sulfit, Kraft oder Soda) und auch durch chemische Behandlung von Baumwoll-, Leinen- und Hanflumpen, Altstoffen, Stroh und dergleichen hergestellt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird Papier, das mittels des Kraftverfahrens hergestellt ist, am meisten bevorzugt. Der Fachmann wird wissen, daß das Kraftverfahren (das auch als Sulfataufschluß- oder alkalisches Verfahren bezeichnet werden kann) Papiere von hoher physikalischer Festigkeit und hohem spezifischen Volumen ergibt. Ein bevorzugtes Papier wird als Saturating Kraft Paper von Westvaco, Charleston, SC verkauft.
Auch wird, wie der Fachmann wissen wird, die durchschnittliche Ausrichtung von Zellulosefasern in Papier in gewissem Umfang durch die "Maschinenrichtung" gesteuert. Es wird angenommen, daß bei der vorliegenden Erfindung die Orientierung des Papiers in den Laminaten ein Faktor ist, der sich auf die Steifigkeit und Festigkeit des Laminats auswirkt. Am meisten bevorzugt werden Laminate, bei denen die Maschinenrichtung des Kraftpapiers eine Linie parallel zur neutralen Achse der Biegung des Laminats ist.
Eine weitere Klasse faserigen Materials zur Verwendung hierin ist Kunstfaserpapier. Anders als Papier ist Kunstfaserpapier eine zu einer Bahn geformte Ansammlung synthetischer (d.h. synthetischer Polymer-) Fasern. Es kann zum Beispiel aus 100 Prozent hochdichten Polyethylenfasern durch Spinnen sehr feiner Fasern und anschließende Verklebung derselben mittels Wärme und Druck erzeugt werden. Nylonpapier wie Nomex Typ 410 wird aus kurzen Fasern (Flocken) und kleineren Bindepartikeln (Fibriden) eines hochtemperaturbeständigen Polyamidpolymers hergestellt, die zu einem bahnförmigen Produkt geformt werden.
Die Lage 24 ist mit einem thermoplastischen Harz imprägniert. Das Harz macht etwa 15 bis etwa 34% Gewichtsprozent der harzimprägnierten Lage 24 aus.
Es kann wünschenswert oder erforderlich sein, eine Klebstoffschicht zu verwenden, um die Außenhäute 22 mit dem Faserkern 24 zu verbinden. Mehrere Klebstoffe können bei spezifischen Anwendungen geeignet sein, einschließlich Epoxiden, Phenolen, Isocynaten, Polyurethanen und Heißklebern. Ein besonders bevorzugter Klebstoff für diesen Zweck ist ein Nitrilphenol, das als "Arofene 1166" von Ashland Chemical vertrieben wird. Der Klebstoff kann durch eine beliebige Zahl von Verfahren direkt auf die Lage 24 oder auf die Metallaußenhäute 22 oder auf beides aufgebracht werden. Es wird bevorzugt, den Stahl mit einer Konversionsbeschichtung wie einem komplexen Oxid oder Zinkphosphat vorzubehandeln, um sowohl die Integrität der Bindung als auch die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Bei einer anderen Ausführungsform, wobei nun auf 2 der Zeichnungen Bezug genommen wird, weist die Faserlage 24 des Laminats 30' eine Vielzahl von Löchern 26 auf, die sich durch dieses hindurch erstrecken. Bei einigen Anwendungen gewährleisten die Löcher 26 "Klebstoffbrücken", wie in der US- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/947,030, auf die zuvor verwiesen wurde, ausführlicher beschrieben ist.
Es wird nun auf 3 der Zeichnungen Bezug genommen. Dargestellt ist ein Verfahren zum Zusammenfügen von Außenhäuten 22 und Lage 24 mittels einer Presse 28. Die Presse 28 umfaßt Pressentische 30, die sich in üblicher Weise mittels einer Hydraulik oder dergleichen aufeinander zu bewegen. Die Pressentische 30 sind vorzugsweise beheizbar, so daß sowohl Wärme als auch Druck auf das Laminat angewendet werden kann, um den Klebstoff abbinden zu lassen. Genauergesagt werden in 3 zwei aufeinandergestapelte Metall/Faser/Metall-Platten 32 und 34 gezeigt. Es versteht sich außerdem, daß, obschon in den Zeichnungen eine einzige Lage 24 dargestellt ist, typischerweise mehrere Bahnen von faserigem Material aufeinandergestapelt sein werden, um die Lage 24 bis zur bevorzugten Stärke aufzubauen. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine Klebstoffschicht zwischen jede die Lage 24 bildende Bahn aufzubringen.
Es wird nun nochmals auf 3 der Zeichnungen Bezug genommen. Nachdem eine Anzahl an Metall/Faser/Metall-Laminaten aufgestapelt ist (vorzugsweise 5 bis 20), schließt die Presse, um auf den Stapel Druck auszuüben. Die Zeiten, Temperaturen und Drücke werden je nach der Stärke der Außenhäute 22 und Lagen 24, der zur Imprägnierung der Mittellage verwendeten Harzarten und der Art des eventuell zwischen der Mittellage und den Metallaußenhäuten verwendeten Klebstoffs stark variieren. Vorzugsweise sollte die verwendete Temperatur hinreichend sein, um ein Abbinden der eventuellen Klebstoffschichten zu gewährleisten. Nachdem der gepreßte Stapel abgekühlt ist, wird er aus der Presse entfernt, einzelne Platten werden dann getrennt.
Bei einigen Anwendungen kann der Lage 24 ein Leimungsmittel zugesetzt werden, um ihre Wasserfestigkeit zu verbessern und die Faser-zu-Faser-Bindung zu verstärken. Flammschutzmittel wie jene auf der Basis von Brom-, Chlor-, Antimon- und Phosphor(III)-Verbindungen können ebenfalls der Lage 24 zugesetzt werden.
Indem wir uns nun 4 der Zeichnungen zuwenden, wird das Verfahren zur Formung nicht ebener Laminat-Gebilde gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Man wird verstehen, daß bei einigen Anwendungen die Laminatplatten der vorliegenden Erfindung ein Metallteil ersetzen können, das kein flaches Blech ist. Daher wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein nicht ebenes Laminat 36 bereitgestellt. Wie hier verwendet, soll der Ausdruck "nicht eben" eine andere Geometrie als ein flaches Blech bedeuten (wie es die Laminatplatte vor dem Arbeitsgang der Umformung darstellt). Zwecks Erläuterung wird ein nicht ebenes Laminat 36 als ein hutförmiges Teil gezeigt, das Metallaußenhäute 38 aufweist, die mit gegenüberliegenden Seiten der Faserkernlage 40 verbunden sind. Die einzelnen Lagen und ihre Mittel zum Zusammenfügen zu einem Trilaminat, das dazu geeignet ist, als Rohling beim Arbeitsgang der Umformung zu dienen, sind die gleichen wie oben in Verbindung mit 1 und 2 der Zeichnungen beschrieben.
In 5 der Zeichnungen ist eine einfache Presse 42 mit Stempel- (44) und Matrizenelementen (46) dargestellt. Ein ebener Metall/Faser/Metall-Rohling wird auf die Matrizenhälfte der Prägevorrichtung gelegt. Der Stempelteil der Presse wird dann verwendet, um durch Schließen der Presse das nicht ebene Laminat 36 zu formen. In einigen Fällen werden die einzelnen Lagen (Metall/Faser/Metall) zum laminierten Zustand vormontiert und als Rohling verwendet werden. In anderen Fällen mag es zweckmäßig sein, einen Stapel unverbundener oder teilweise verbundener Lagen (d.h. Metall/Faser/Metall) zu bilden, die dann gleichzeitig oder nacheinander miteinander verbunden und geformt werden, wenn sie (mit oder ohne Wärme) gepreßt werden. Es mag auch zweckmäßig sein, die Lagen mit einem Klebstoff, der genügend Haftkraft aufweist, teilweise miteinander zu verbinden und dann das Laminat in dem Lackeinbrennzyklus vollständig zu verbinden.
Obschon besondere Ausführungsformen dieser Erfindung hierin dargestellt und beschrieben sind, versteht sich natürlich, daß die Erfindung nicht darauf zu beschränken ist, da im Lichte dieser Offenbarung insbesondere von Fachleuten viele Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims

Baulaminat, umfassend eine erste und eine zweite Außenhaut aus Blech, die jeweils eine Stärke von wenigstens 0,005 in (0,127 mm) aufweisen, und einen Faserkern, der zwischen den Außenhäuten aus Blech angeordnet und damit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkern mit einem thermoplastischen Harz imprägniert ist, derart, daß das thermoplastische Harz 15 bis 45 Gew.-% des Faserkerns ausmacht.
Baulaminat nach Anspruch 1, bei dem das Blech aus der Gruppe bestehend aus kaltgewalztem Stahl, verzinktem Stahl, verzinntem Stahl und rostfreiem Stahl ausgewählt ist.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Faserkern mit den Außenhäuten aus Blech verklebt ist.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede der Außenhäute eine Stärke von etwa 0,005 in bis etwa 0,030 in aufweist.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Faserkern eine Mehrzahl aufeinandergestapelter Lagen umfaßt.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Faserkern eine Stärke von wenigstens etwa 0,01 in aufweist.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das außerdem Klebstoffschichten enthält, die zwischen dem Faserkern und jeder der Außenhäute angeordnet sind.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Faserkern eine oder mehrere Papierlagen umfaßt, die mit dem Harz imprägniert sind.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Faserkern ein synthetisches Polymer umfaßt.
Baulaminat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Laminat nicht eben ist.
Verfahren zur Formung des Baulaminats nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren umfaßt: das Anordnen eines das thermoplastische Harz enthaltenden Faserkerns zwischen der ersten Außenhaut und der zweiten Außenhaut aus Metall, um einen Stapel zu definieren; und das Aussetzen des Stapels einer ausreichenden Temperatur und einem ausreichenden Druck, um: (i) den Faserkern mit den Außenhäuten zu verkleben und (ii) den Faserkern mit dem thermoplastischen Harz zu imprägnieren.
Verfahren nach Anspruch 11, das den weiteren Schritt des Umformens des Stapels zur Formung eines nicht ebenen Laminats umfaßt.